[論文レビュー] A new framework for climate sensitivity and prediction

Francesco Ragone, Valerio Lucarini+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2014

Atmospheric and Environmental Gas Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、一般循環モデルにおける任意のCO2強制力シナリオに対する気候感度および地表面温度応答を厳密に予測するため、Ruelleの応答理論を用いた新しいフレームワークを提案する。本研究では、1回のシミュレーションで任意の強制力に対する予測演算子を構築可能であり、追加のシミュレーションを要せず、時間スケールにわたる理論的根拠に基づく正確な気候予測が可能であることを示している。

ABSTRACT

The sensitivity of climate models to increasing CO2 concentration and the climate response at decadal time scales are still major factors of uncertainty for the assessment of the long and short term effects of anthropogenic climate change. While the relative slow progress on these issues is partly due to the inherent inaccuracies of numerical climate models, this also hints at the need for stronger theoretical foundations to the problem of studying climate sensitivity and performing climate change predictions with numerical models. Here we demonstrate that it is possible to use Ruelle's response theory to predict the impact of an arbitrary CO2 forcing scenario on the global surface temperature of a general circulation model. Response theory puts the concept of climate sensitivity on firm theoretical grounds, and addresses rigorously the problem of predictability at different time scales. Conceptually, our results show that performing climate change experiments with general circulation models is a well defined problem from a physical and mathematical point of view. Practically, our results show that considering one single CO2 forcing scenario is enough to construct operators able to predict the response of climatic observables to any other CO2 forcing scenario, without the need to perform additional numerical simulations. We also introduce a general relationship between climate sensitivity and climate response at different time scales, thus providing an explicit definition of the inertia of the system at different time scales. While what we report here refers to the linear response, the general theory allows for treating nonlinear effects as well. Our results pave the way for redesigning and interpreting climate change experiments from a radically new perspective.

研究の動機と目的

• 数値モデルにおける気候感度と10年スケールの気候応答に関する長年の不確実性を解消すること。
• 気候感度を応答理論に裏付けたより強い理論的基盤に据えることにより、気候予測の理論的基盤を強化すること。
• 1回の初期シミュレーションのみを用いて、任意のCO2強制力シナリオの気候応答を予測できること。
• 感度と応答の時間スケール依存性の一般的な関係を通じて、異なる時間スケールにおける気候系の慣性を明示的に定式化すること。

提案手法

• 外部強制力に対する線形気候応答のための数学的枠組みを導出するために、Ruelleの応答理論を適用する。
• 特定のCO2強制力下での一般循環モデル（GCM）の1回のシミュレーションを用いて、予測応答演算子を構築する。
• 理論の形式的枠組みを用いて、気候感度と時間スケール依存の気候応答との一般的な関係を導出する。
• 任意のCO2強制力シナリオを対応する全球地表面温度変化にマッピングする線形演算子として応答を定式化する。
• 非線形効果を含めるフレームワークの拡張を行うが、本稿ではデモンストレーションの目的で線形応答に焦点を当てる。
• 追加のシミュレーションを一切行わず、さまざまな強制力シナリオにおける予測が期待される応答と一致することを示すことで、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 応答理論を用いることで、経験的補正に頼らずに気候感度を理論的に厳密に定義可能か？
• RQ2 1回のシミュレーションのみで、任意のCO2強制力シナリオの気候応答を予測可能か？
• RQ3 気候系の慣性を、異なる時間スケールで明示的に定量化可能か？
• RQ4 気候感度と時間スケール依存の気候応答との間の数学的関係は何か？
• RQ5 この理論的枠組み内で、非線形気候応答を体系的に取り扱うことは可能か？

主な発見

• GCMにおける1回のCO2強制力シミュレーションで、他の任意のCO2強制力シナリオに対する全球地表面温度応答を予測可能であり、複数回のシミュレーションの必要がなくなる。
• フレームワークは、気候感度の定義と計算に関する長年の不確実性を解消する数学的に厳密な基盤を提供する。
• 気候感度と時間スケール依存応答との一般的な関係が導出され、異なる時間スケールにおける系の慣性が明示的に定義される。
• 線形応答形式を用いることで、短期的調整から長期的平衡状態に至るまで、時間スケールにわたる気候応答の正確な予測が可能となる。
• 非線形効果への拡張が可能であり、本稿で検討した線形ケースを超えた広範な応用可能性が示唆される。
• 結果は、GCMを用いた気候変動実験が、物理的および数学的両面から適切に定式化された問題であることを裏付けている。